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1、“工业以太网及其应用技术”讲座冯冬芹。等“工业 以太 网及其应用技术 讲座 第 1讲工业以太网与工业 IT 泻 每 j if 拿 建 祥 诸 健(浙江大学工业控制技 术国家重点 实验 室、浙江浙大中控技 术有限公 司，杭州3 1 0 0 2 7)O引言 近年来，随着 计算 机、通信、网 络等 信息 技 术 的发 展，信息交换 的领域 已经覆 盖 了工厂、企业乃至世 界各 地 的市场，因此，需要建立包 含从工业现 场设备层 到控 制 层、管理层等 各个层次 的综 合 自动化 网络平 台，建 立 以工业 控制 网络技术为基 础的企业信 息化系统。工 业控制 网络 作 为一种 特殊 的网 络，直 接
2、 面 向生 产过 程。肩负着工业 生 产运 行一 线 测量 与控 制信 息 传 输 的特殊 任务，并产 生 或引 发物 质 或能量 的运 动和 转 换，因此 它通常应满 足 强实 时 性、高 可 靠性、恶 劣 的工 业现场 环境适应性、总线供 电等特殊要求 和特点。与此同时，开放 性、分散化 和低成本 也是 工业控 制 网络另外 重要 的三 大特征。即工业控制 网络应该：具 有较好 的响 应 实时 性。工 业 控制 网络 不 仅 要求传输 速度快，而 且 在工业 自动化 控制 中还要 求 响 应快，即响应实时性要 好，一般 为 吣 一0 1 s 级；高可靠性，即能 安装 在工 业 控制 现 场
3、，具 有 耐 冲击、耐振 动、耐腐蚀、防尘、防水 以及较好 的电磁兼容 性，在现场设 备或网络 局部链路 出现故障 的情 况下，能 在很短 的时间 内重新 建立新的 网络 链路：力求 简洁，以减小 软硬 件 开 销，从 而减 低 设备 成本，同时也可 以提 高系统 的健壮性；开放性要 好，即工业 控制 网络尽量不要 采用专 用 网络。在 D C S中，工业控 制 网络是 一 种数 字一 模 拟混 合 系统，控制站 与工程 师站、操作 站之 间采用全数字 化 的 专用通 信网络，而控 制 系统 与现 场 仪表 之 间仍 然使 用 传统 的方法，传输可 靠性差，成 本高。2 0世纪 8 0年代 产
4、生和发展 起来 的现 场总线 技术，以全数 字通信代替 42 0 m A电流的模 拟 传输 方式，使 得控制 系统与现场仪 表之 间不 仅能传输 生产过程测 量 与控制信 息，而且能 够传 输现 场 仪表 的 大量 非控 制 信 息，使得工业企 业的管理 控制一体 化成为 可能，并且 促 使 目前 的 自动化 仪表、I)G S和可编程控 制器(P )等产 品所 面临 的体 系结构和 功能结构产 生重大 变革。然 而，现场总 线技术 在 其发 展 过程 中也存 在许 多 不足，具 体表现 为：现有 的现 场 总线 标 准过 多，仅 国 际标 准 I E C 6 1 1 5 8就包含 了 8个类
5、型，未能统一 到单一 标准上 来；不 同总线之 间不能兼容，不能真正实 现透 明信息互访，无法 实现信息 的无缝集成；由于现 场总 线是专 用实时通信 网络，成本 较高；现 场总线 的速度 较低，支 持的应用有 限，不便 于和 I n t e me t 信息集 成。与此 同时，传统 上用 于 办公 室 和商 业 领域 的 以太 网却悄悄 地进入 了控制领域。近来 以太 网更是走 向前 台，发展迅 速，颇引人 注 目。以太 网 已经成 为 目前 市场 上最受欢迎 的通信 网 络之一，它 不 仅垄 断 了办公 自动 化 领域 的网络通信，而且 在工 业 控制 领 域管 理 层和 控 制层等 中上层
6、网络 通信 中也得 到 了广泛 应 用，并有 直 接 向下延伸 应用于 工业 现场 设 备 间通信 的趋势，并 成 为近年来工 业控制 网络新 的研 究热点。1 以太网 已成为工业控制网络 的发展方 向 众所周 知，自现场 总线产 生和发展至今。世界各 大 公 司纷 纷投入 了大 量资 金和 力量，开发 了数 百种 现 场 总 线，其 中开放的现场 总线也有 二、三十 种。虽然广 大 仪表 和系统 开发商 以及用户对统 一的现场 总线呼声 很 高，但 由于技 术和市场经 济利益 等方面 的冲突。市场 上 的各 种现场总线 经 1 4年争 论也无 法达成统 一。多标 准 等于 无标准。另一方 面
7、。现场总线 在其 自身的发展过程 中，无 一 例外地沿 用 了各 大公 司 的专有 技 术，导致 相互 之 间 不 能兼容，同时也无 一 例外地 过多 强 调 了工 业 控制 网 络 的特殊性，从而忽 视 了其作 为一 种 网 络通 信技 术 的一 般性和共 性。因此，尽管迫 于市场和 用户 的压 力。这些 现场总线 协 议公 开 了。但 其 本 质 上 还是“专 有 的”，其“开放性”仅 是 局 部 的，只是 部 分 技 术(主 要 是 协议 规 范)的公 开，对于 广大 仪表 和系 统 开发 商来 讲，开发 和 5 9 第 2 4卷第 4期2 0 0 3年 4月 实 现技术还是“专有 的”
8、。与此相反，以 以太 网为代 表 的 C O T S(c o m m e r c i a l o ff t h e s h e l f)信息 网 络通 信 技 术 却 以其 协议 简 单、完 全 开 放、稳定性和 可靠性 好 而获 得 了全球 的技术 支 持。与 现 场总线相 比，以太 网具 有以下优 点：应用 广泛 以太 网是 目前应 用最 为 广泛 的 计算 机 网络 技术，受 到广泛 的技 术 支持。几 乎所 有 的 编 程 语 言 都 支持 E the me t 的应用 开发，如 J a v a，V i s u al C+及 V i s u al B a s i c 等。这些编程语 言
9、 由于广 泛使 用，并 受到 软 件开 发 商 的高度重视，具 有很好 的发展前景。因此，如 果采用 以 太 网作为现场 总线，可 以保证 多种 开发工具、开发环境 供 选择。成本低 廉 由于 以太 网的应 用最 为广 泛，因此 受 到 硬件 开发 与 生产厂 商的高度重 视 与广 泛支 持，有 多 种 硬件 产 品 供 用户选择。而且 由于应 用广 泛，硬件 价 格 也相 对低 廉。目前 以太 网网卡的价格 只有 P r o fi b u s，F F等现 场总 线 的十分之一，并 且随着集成 电路技 术的发展，其价格 还会 进一步下 降。通信速 率高 目前 以太 网的通信 速率 为 1 0
10、M，1 0 0 M的 快速 以太 网也 开始 广 泛 应 用，1 0 0 0 M 以太 网技 术也 逐 渐 成 熟，1 0 G以太网也正 在研 究，其 速率 比 目前 的现 场 总线 快 得多。另外 以太 网可 以满 足对带宽 的更高要求。软硬件 资源丰 富 由于以太 网已应用多 年，人们对 以太网 的设 计、应 用等方 面有很多 的经 验，对 其 技 术也 十分 熟 悉。大 量 的软件 资源和设 计经验 可以显著降低 系统的 开发和培 训 费用，从 而可 以显著降低 系统 的整体 成本，并大 大加 快 系统 的开发和 推广速度。可持续发 展潜力大 由于以太网 的广泛 应 用，使 它 的发 展
11、 一直 受 到广 泛的重视 和吸引 大量 的技 术 投入。并 且，在这 信息 瞬 息万变 的时代，企业 的 生存 与发 展将 很 大程 度 上依 赖 于一个快 速而有效 的通 信 管理 网 络，信 息技 术 与通 信 技术 的发 展将 更加迅 速，也更 加成熟，由此保 证 了以太 网技术不 断地持续 向前发展。易 于与 I n t e me t 连 接，能实 现 办 公 自动 化 网 络 与工业控制 网络 的信 息无缝集成 因此，工业 控制网络 采用 以太 网，就可 以避免其 发 展 游离于计算 机网络 技 术的 发展 主 流之 外，从 而使 工 业控 制网络 与信 息网络技 术互相促 进，共
12、 同发 展，并 保 证技 术上 的可持续 发展，在技 术 升级 方 面无 需单 独 的 研究投 入。诚然，以太网由于采 用了 C S M A C D介质访问控制 机制，各个 节点 采 用 B E B(b i n a r y e x p o n e n ti a l b a c k-off)算 法处理 冲突，具有 排 队延迟 不确定 的缺 陷，无法保证 确 定 的排 队延迟 和通信 响应 确 定性，使之 无 法在 工业 控 制 中得 到有效 的使用。随着 I r I 1 技 术的发展，以太网 的发展 也取 得 了本质 的 飞跃，先后产 生 了高速 以太 网(1 0 0 M)和千 兆 以太网 产
13、品和 国 际标 准。1 0 G以太 网也 在研 究 之 中。针 对 以 太 网的排 队延迟 不确 定性，以太 网又增 加 了全 双 工通 信技 术、交换技 术、信 息优 先级 等 来提 高 实 时性，并 改 进 了容错 技术。其 中交换式 以太 网避免 了交换 机各端 口之 间的碰撞，全 双工 通 信又 避免 了各节 点发 送 和接 收报 文之 间的冲突，从 根本 上解 决 了以太 网通 信 传输 延迟存 在不确 定性的 问题。更 为重要 的是，广大工 控专家通 过研究发 现，通信 负荷 在 3 0 以下 时，1 0 M 以太 网 的通信 响 应实 时性 要 好于 2 5 M的 A R C n
14、 e t(一种 曾被 广泛 用 于 工 业控 制 网 络的令牌 总 线)。而 负荷 在 1 0 以下 时，以太 网几 乎 不发生碰 撞，或者说，因碰撞 而引起 的传输延迟 几乎可 以忽 略不计。另一方面，在 工业控制 网络 中，传输 的信 息多为周 期性测 量和 控制 数 据，报 文 小，信息 量少，信 息流 向也具有 明显 的方 向性，即 由变送 器传 向控 制器；由控制器 传 向执 行 机 构。在 拥 有 6 0 0 0个 I ，O的典 型 工业控 制系统 中，通信 负荷 为 1 0 M以太 网的 5 左右，即使有操 作员信 息传输(如设 定值 的改 变，用户应 用程 序的下载 等)，1
15、0 M 以太 网 的 负荷 也 完全 可 以保 持 在 1 0 以下。因此，通过采用 适 当的系统设计和 流量控 制技 术，以太网完 全能 用 于工业 控 制 网络。事 实也 是 如此，2 0 世纪 9 0年代 中后期，国 内外 各大工控公 司纷 纷在其 控 制系统 中采用 以太网，推 出 了基于 以太网 的 D C S，P L C、数据采集 器，以及基 于 以太 网的现场仪 表、显示仪 表等 产品。以太 网应为 用于工业控 制网络发 展的首选。2 工业以太网特点与要求 什么是 工业 以太 网?一 般 来讲，工 业 以太 网在 技 术上与商 用以太网(即 I E E E 8 0 2 3标准)兼
16、容，但 在产 品设计时，在材质 的选用、产 品的强度和适 用性方 面应 能满足工业 现场 的需 要，即满 足以下要求：环境 适应性 包括机 械环境适 应性(如 耐振动、耐 冲击)、气候 环 境适应 性(工 作 温 度 要 求 为 一4 0+8 5，至 少 为 6 0 P ROCES S AUTOMATI ON I NS T RUI V I ENT ATI ON，Vo 1 2 4，No 4，Al 舅 r ，加0【“工 业以太 网及 其应用技 术”讲座冯冬芹。等 一2 o+7 0，并 要 耐腐 蚀、防 尘、防 水)、电磁 环 境 适 应 性 或 电磁 兼 容 性 E MC应 符 合 E N 5 0
17、 0 8 12、E N 5 0 0 8 22标 准。可靠性 由于工业 控制现 场 环境 恶 劣，对 工 业 以太 网产 品 的可靠性也提 出 了更 高的要求。安全性 在易爆 或可燃 的场 合，工 业 以 太 网产 品还 需要 具 有防爆要求，包括隔爆、本质安全 两种方 式。安装 方便，适 应工 业 环境 的 安装 要求，如采 用 D I N导轨安装。工业 以太网设备 与商用 以太 网设备 之间的 区别详 见表 1。表 1 工业以太 网设 备与商用以太 网设 备之 间的区别 由于 目前 市 场 上 大 多 数 以太 网设 备 所 用 的 接 插 件、集线器、交 换 机 和 电缆 等 是 为 办公
18、 室应 用 而 设 计 的，不符合工业 现场 恶 劣环境 的要 求，在工 厂环 境 中，商用以太网 的抗干 扰性 能 较差。若 用于 危 险场 合，它 不具 备本安特 性，也 不具备 通 过信 号 线 向现 场仪 表 供 电的性能。随着网络 技术的 发展，上 述 问题 正在 迅 速得 到解 决。为 了解决 在不间断 的工业 应用 领域 以及 在极端 条 件下 网络也能稳 定地工作 的 问题，美 国 S y n e r g e t i c 微 系 统公 司和德 国 H i r s c h m a n n 公 司专 门开发和 生产 了导轨 式收发 器、集线器 和交换 机系列 产 品，安装 在标 准
19、 D I N 导轨上，并 有冗余 电源供 电，接 插件采 用牢 固 的 D B一9 结构。美 国 Wo o d h e a d C o n n e c t i v i t y公 司 还 专 门开 发 和 生产 了用于 工业控 制现 场 的加 固型 连接 件(如 加 固的 R J l4 5接 头、具有加 固 R J 4 5接 头 的工 业 以太 网交换 机、加固型光 纤转换 器 中继 器 等)，可 以用 于 工业 以 太 网 变送 器、执行 机 构 等。美 国 N E r S i l i c o n公 司也 已研 制 出工业级 以太 网通信 接 口芯 片，每 片价格 已降 至 1 0 1 5 美
20、 元，与各 种 现场 总 线 芯 片相 比，具 有 很 大 的 价格 优势。当然，以太 网全 面应用于 工业 控 制网络，还需 要解 决 以下关 键技术 问题：适 用于工业 控制现 场的 以太 网媒体规 范 尽管各 大工控 开发 和制 造 商都 在 开发、生 产 工业 以太 网设备，并且在 产 品设 计时 都采 用 相应 的 可 靠性 技 术，但在工 业 以太 网线缆、接插 件等方 面均还没 有统 一的标准。如果没有 统一 的规 范，不 同厂商 生 产 的设 备 之 间的直接连接就 比较 困难。适 用于工业 自动化控 制的应 用层协议 由于 以太网技术 规范 只定 义 了物理层 和数据 链路
21、层，在其 之 上 的 网络 层 和 传输 层 协 议，目前 以 T C P I P 协 议为 主。而在与用 户应 用 程 序接 口的应 用 层，商用 计 算机通信 领域采 用 的是 F T P(文 件 传送 协 议)、T e l n e t (远 程 登 录 协 议)、S M T P(简 单 邮件 传 送 协 议)、H T r P (WWW 协议)等，它们 如 今在 互 联 网 上发 挥 了非 常 重 要 的作 用。但这些 协议所 定义 的数 据结构等 特性 不适 合应用于 工 业 过 程 控 制领 域 现 场设 备之 间 的实 时 通 信。因此，还需 定义统一 的应用层 规范。工业 以太网通
22、信 实时性服务 质量(Q o S)控制 策 略与 客观评价 以太网应 用于工业 控 制 现场 时，应根 据 对工 业 现 场控 制系统实 时通信 要求 和 特点 的 分析，制 定相 应 的 系统设计、流量控 制、优 先 级控 制、数据 报 重 发控 制机 制等策 略，在响应 延迟、传 输 延迟、吞 吐量、可 靠性、传 输失败率、优 先级等 方面，使 工业 以太 网满足工 业 自动 化实 时控 制要求。网络安全性 工业 以太 网由于使 用 了 T C P I I)协议，因此 可能会 受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等 网络 安全 威胁。对 此，一般可采用用户密码、数据加密、防火墙等 多 种
23、安全机制加强网络 的安全管理，但针对工业 自动化 控 制网络安全问题的解决方案还需要认真研究。3 工业“I rI 1”以信息化整合工业化 所谓 I T(i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y)，主要 反映 计算机 及 其相 关的软件、硬件技术 与网络技 术 的结 合体，随着 互 联 网的不断成熟，互联 网把计 算机 与通信 这 两块 原 先 相互独 立的领域 粘合 在一 起，不但 使单 机 运 行 的计算 机全 面进入互联 网时 代，而 且 迅速 推 动计 算 机产 业 与 6l 第 2 4 卷第 4期2 0 0 3年 4月 通信 产业的发展。随着
24、微 电子技 术在 自动化仪器仪 表和控 制系统 中 的广泛 应用，以及 工业 控制 网络 与 信息 管 理 网络 的一 体化发展，企 业 生 产过 程 数 字 化 的数 据 采 集、调 节 控 制、监控 与组态设计 以及设 备 维护、生 产 管理、经 营决 策等环 节，将通过 一体化 的 网络 通信 平 台统一 到一 个 完整 的综合 自动化 信息 系统，以实现 现 场设 备 的数 字 化、生产 过程控制 的智能化、企业 管理 的信 息化 以及 咨 询服务 的网络化。据 专 家预 测，在这 种 自动 化 控制 综 合信息系统 中、传统 的控制 信息 将 由原 来 的 8 5 下降 到 4 0。
25、而经营 管理信息 将上 升到 6 0。因此，工 业 控制领域 已具 有 了当代 n 技 术和产 业特征，即所谓 的 工业“I r r ，其 中，“智能化”的工 业 自动化 仪表 和工业 控 制网络，构成 了工 业“I rr”的 技术 基 础 和 硬件 平 台。但 真 正实现工业“I rr”，还需要 采 用一些 实 时数据 库技 术、软测量技术、数据 融合与数 据处理 技术、先进 控制与 过 程 优化技术、E R P技术等，并 采用 信息 网络 的 n 技术，如网络技术、通 信技 术、信 息 处理 技 术等，实 现工 业 生 产 过程的远程监 控、故障诊 断与维 护，实现工业 企业全 厂的管控一
26、 体化。一般说来，工业“r r 有 以下 几个 特征：现场仪 表数 字智能 化、生 产过程数 字 化、设 计 数 字化、管理 数 字化 以及 企业数字化。具体表现 为：以流程工业 和制造业 为服务对 象，基于现 代计 算机、网络、通信 和现代控制 技术而形成 的一种新 型工 业 自动 化网络系统 技 术，在进 一 步 完善 信 息采 集 功能 的基础 上，强化 了信 息的加工 处理，尤其 是工业 生产过 程测量 和控制信 息的网络传 输技术更 加开放并 得到飞 速发展。传统的 自动 化 仪表 走 向数 字 化、智 能 化，具 有 开放 的网络通信接 口，而成 为 网络 化控 制 系统 的一 个
27、 节点。分 布式工业 控制网络将成 为未来 控制系统 的主 导技术。以现场总线、工业 以太 网等 工业 控制网络 为平 台，利用现 场设备 的软、硬 件 资 源(如功 能模 块)，实 现 全分 散控 制，同 时对 现 场 仪 表还 可 实 现 远 程访 问、监 视、调校、诊 断、维护等 管理功 能。控 制系统与信 息 系统 实 现平 滑联 接 和多 网 合 一，工业 以太 网技术在 控 制领 域将 得 到 更为 广泛 的推 广，实 时控 制 信 息 可 以通 过 I n t r a n e t I n t e m e t 实 现 共 享 和实 现在线检测、控制和 管理。工业控 制系统软件 及各
28、种应 用软件开 发、系统 集成技 术成为核 心技 术，取 代 系统 硬件 而 成 为高 附加 62 值 的载 体。通过 先进控 制 和优 化 软件，可 以实 现预 测 控制、模糊控制、神经元网络控制、专家系统控制等高 级智能 控制，以及 数据校 正、过程模拟、质量监控、计 划 排产与 调度 以及 故障诊 断、安全 管理 等 生产 过程 的优 化管理。企业的经 营管理 以 企业 资 源计 划管 理 系统 软 件(e n t e r p r i s e l-e S O t l l e p l a n n i n g，E f u P)和 企业 供 应链 管 理 系统软 件(s u p p l y c
29、 h a i n m a n a g e m e n t)为平 台，实现物料 清 单、工艺路线、库存 管理、生 产 计划、物料 需求 计 划、能 力 需求计 划、成本 管理、财务 管理、销售 管理、产品数 据 管理、质量 管理、设 备维 修 管 理、实 验 室 管 理、运 输 管 理、配方 管 理、人 力 资源 管 理、战略 管 理、客 户 服 务 管 理、开发与研 究管理 等的一体化 管理。专 用 I C芯片、各种 工业控 制网络 的通 信模块、网桥、中继器、网关、远 程 I ，O节点、功能模 块成 为新 一 代分 布式 网络控制 系统 中 的重点 产 品，并 与 网络 信 息 技 术同步发
30、展。4 结束语 今天，随着 信息 网络 技术 的发展，以工业 以太网 为 代表 的 C S技术在 工业 控制 领域 得到 广泛 应 用。以 工业 以太网 为基础，构建 全球 开放 免 费并 且无 知 识产 权 限制的工业 控制 网络，是 自动化 控 制系 统 的发 展趋 势，必将 有力推 动工业 企业 综合 自动化 信 息系 统 的实 施，使之与 信息 网络 的 I r r 技 术 同步 发展，从 而 可 以加 快工业 企业 的信 息化 改造，全 面提 高我 国企 业 的 整体 技术 水平和竞 争能力。参考文献 1 魏 庆福 现场总 线技术的发展 与工业 以太 网综述 工业 控制计 算 机，2
31、 O 0 2，1 5(1)：1 5 2张军 工 业 自动 化 仪表 与工 业“r I ”特 征 世 界 仪 表 与 自动 化，2 0 0 2，6(2)：3 63 8 3李英 基于 E t h e r n e t 的 全开放 工业 控制 网络 工业 仪表 与 自动 化 装 置，2 0 0 1，(3)：69 4冯冬芹，金建祥，褚健 浅谈工业 以太 网关键 技术 世界 仪表 与 自 动化，2 0 0 2，6(6)：3 63 8 5 M Kr i s h n a a n d GS h i n1(a I l g，Re a lt ime s y s t e ms Mo g r a w-Hi U C o i
32、 n-p a n y，1 9 9 7 6 An d r e a s S o mo s y i A fle x i b l e f u t u r e f o r in d u s t r i a l a I 0 I 加 h l d l l曲ry Eth e m e t B o o k，I s s u e 1，h t t p：ww wi f Id u s 扛 i a 1 n d】f l【i l l g c 啷 7 J o n a s B e r g eE t h e me t in p r o c e s s o o n tr o 1 I n d u y E t h e me t B o o k，I,lU e 3，h t t p：ww win d u _i a l-n e t w o r k i n gC o l n 8 缪学勤，现场总线 的最 新发展 自动化 仪表，2 0 0 0，2 1(7)：1 2 国家“8 6 3”计划重点课题资助(编号：2 0 0 1 A A 4 1 3 0 1 0)。P ROCE S S AUTOMATI ON I NS TRUMENT ATI ON，V _d 2 4，No 4，Al _ r ，加 帕